Moonlight Sinatra foi lançado em março de 1966 pela Reprise Records. Produzido por Sonny Burke, os arranjos e a regência foram de Nelson Riddle. As sessões de gravação ocorreram nos estúdios da Reprise em Hollywood, Califórnia, no início de 1966.
O álbum é um álbum temático centrado em canções que mencionam a lua, com foco em baladas românticas e orquestrações suaves. Foi o último álbum de estúdio de Sinatra com arranjos de Nelson Riddle até 1980.
O álbum alcançou o número 5 na parada Billboard 200. Embora não tenha produzido singles de grande sucesso, é apreciado por sua atmosfera coesa e pela química entre Sinatra e Riddle.